一種新型多孔磚導(dǎo)熱系數(shù)算法的對(duì)比研究

王靜

（黃驊市住建局檢測(cè)站，河北黃驊 061100）

一種新型多孔磚導(dǎo)熱系數(shù)算法的對(duì)比研究

王靜

（黃驊市住建局檢測(cè)站，河北黃驊 061100）

對(duì)這一新型無骨料多孔磚的參數(shù)及性能作了簡(jiǎn)要分析，將多孔磚平均導(dǎo)熱系數(shù)的兩種計(jì)算方法進(jìn)行了探討并作了對(duì)比，結(jié)果表明：兩種方法計(jì)算結(jié)果比較接近，反映了ANSYS模擬計(jì)算值的合理性，為此類多孔磚的導(dǎo)熱性能計(jì)算提供指導(dǎo)。

多孔砌塊，蜂窩塊，平均導(dǎo)熱系數(shù)，熱阻，保溫性能

目前，國(guó)家要求在全國(guó)范圍內(nèi)建筑節(jié)能首先達(dá)到50%（在20世紀(jì)80年代初的建筑能耗基礎(chǔ)上）的要求，對(duì)于一些大中城市則提出了更高的要求，如對(duì)北京的要求為節(jié)能65%［1］。這就對(duì)墻體材料的熱工性能提出了更高的要求，同時(shí)推動(dòng)了墻體材料改革進(jìn)程。因此研制新型的，保溫性能良好的多孔磚來替代原有能耗高的砌體材料，成了墻體材料革新的一個(gè)方向。這種新型多孔磚，不采用粘土且自身的強(qiáng)度較高，采用多孔空心截面，節(jié)約材料同時(shí)具有較好的熱工性能。

空心磚與多孔磚的傳熱性能分析屬于二維傳熱問題，保溫性能的測(cè)定方法分為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)定和模擬的方法?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)定都需要按規(guī)定采用熱流計(jì)測(cè)定，而這種測(cè)定方法受現(xiàn)場(chǎng)條件的環(huán)境的影響測(cè)量誤差較大［2］。德國(guó)Homayr氏曾定出一個(gè)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)的近似公式，用此公式計(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)雖與測(cè)定值有出入，但對(duì)于計(jì)算內(nèi)部孔型復(fù)雜的空心磚導(dǎo)熱系數(shù)的近似計(jì)算還是很適用的。大型有限元分析軟件ANSYS，其熱工分析功能強(qiáng)大，能有效的模擬多孔磚的保溫性能，并計(jì)算其平均導(dǎo)熱系數(shù)。通過這兩種方法的對(duì)比，為此類復(fù)合材料多孔磚的導(dǎo)熱性能計(jì)算提供參考與借鑒。

1 新型多孔磚參數(shù)

這種新型多孔磚的主尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，圓孔直徑為8.6 mm，孔壁為2 mm，如圖1所示。由于這種砌塊的孔洞數(shù)量多、孔徑小如同蜂巢一般，故可將其稱為蜂窩塊。蜂窩塊的孔洞數(shù)量為231孔，孔洞率高達(dá)48.6%，具有良好的保溫性能。其制品所用材料結(jié)合唐山實(shí)際采用:早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥42.5 （唐山啟新水泥廠）、粉煤灰（唐山電廠）、建筑石膏。

2 Homayr導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算法

2.1 計(jì)算公式

其中，λm為多孔磚的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）;λs為基料導(dǎo)熱系數(shù)，取0.93W/（m·K）;λ'為多孔磚孔洞中空氣層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）;F為多孔磚截面總面積，cm2;F2為順著熱流方向兩側(cè)邊壁面積，cm2;Fs為F1內(nèi)部孔壁的面積，cm2;F1為順著熱流方向兩側(cè)邊壁之間具有孔洞的面積，cm2，F(xiàn)1=F－F2;Wm為孔壁線延長(zhǎng)值的平均值，Wm=（WA+WB）×f，WA為孔壁軸A的最大延長(zhǎng)線/多孔磚寬度，WB為孔壁軸B的最小延長(zhǎng)線/多孔磚寬度，f為孔洞的布置方式系數(shù)，菱形磚f=0.53～0.55，錯(cuò)列孔多孔磚f=0.58～0.60，齊排孔多孔磚f=0.5。

圖1 多孔磚尺寸及孔洞排列

2.2 多孔磚導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

圖2 多孔磚傳熱路線圖

如圖2所示給出了多孔磚順向和頂向的最長(zhǎng)熱流線路A和最小熱流線路B，根據(jù)式（1）及圖2可分別計(jì)算出順向和頂向的導(dǎo)熱系數(shù)。順向?qū)嵯禂?shù)計(jì)算過程如下:

F:多孔磚斷面總面積=24×11.5=276 cm2，

F2:順著熱流方向兩側(cè)邊壁面積=0.7×11.5×2=16.1 cm2，

Fs:F1內(nèi)部孔壁面積=259.9－134.2=125.7 cm2，

3 ANSYS導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算法

ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程。用有限元法計(jì)算物體內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他物理參數(shù)［3］。運(yùn)用ANSYS軟件可以進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力以及接觸熱阻等問題的分析求解。

3.1 多孔磚模型參數(shù)

根據(jù)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范，冬季的室內(nèi)氣溫一般居住建筑取為18℃，室外平均溫度取為－2.9℃，冬季的內(nèi)表面換熱系數(shù)為8.7W/（m2·K），外表面換熱系數(shù)為23.0 W/（m2·K）。內(nèi)外表面的換熱阻分別為0.11（m2·K）/W，0.04（m2·K）/W。水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.93W/（m·K）。

3.2 ANSYS導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

單元類型為Solid70三維實(shí)體熱單元，經(jīng)過網(wǎng)格劃分及邊界條件的施加可模擬出多孔磚上各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度，進(jìn)而準(zhǔn)確分析出多孔磚的溫度場(chǎng)（見圖3）和熱流密度。根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理可計(jì)算出材料的熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)。順向和頂向的計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

圖3 多孔磚溫度場(chǎng)分布

表1 ANSYS計(jì)算數(shù)據(jù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

通過上述兩種計(jì)算方法分別得出了這種多孔磚的平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.410 W/（m·K），0.382 W/（m·K）。當(dāng)其作為外墻材料時(shí)，砌塊厚度選為240mm，則其熱阻分別為0.585（m2·K）/W，0.628（m2·K）/W。內(nèi)外表面的換熱阻分別為0.11（m2·K）/W，0.04（m2·K）/W。則外墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)其熱阻為0.735 0（m2·K）/ W，0.778（m2·K）/W。根據(jù)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小熱阻按下式計(jì)算［4］:

其中，ti為室內(nèi)計(jì)算溫度;te為室外計(jì)算溫度;Δt為室內(nèi)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的允許溫度差;n為溫差修正系數(shù)。根據(jù)唐山地區(qū)的實(shí)際情況計(jì)算出最小熱阻為0.513（m2·K）/W。計(jì)算值均大于規(guī)范要求的熱阻值，說明這種新型多孔磚符合規(guī)范的熱工要求。對(duì)比幾種常用的空心磚多孔磚的熱工性能，這種新型的蜂窩塊具有更優(yōu)異的熱工性能。如表2所示，這種新型多孔磚能夠在較小墻厚的條件下保證熱阻的要求，且有較輕的容重。

表2 熱工性能對(duì)比

5 結(jié)語

通過比較Homayr公式和ANSYS模擬的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果，兩者順向?qū)嵯禂?shù)相差6.5%，頂向?qū)嵯禂?shù)相差7.0%，兩種計(jì)算結(jié)果基本一致，反映了ANSYS模擬計(jì)算值的合理性，另外ANSYS能夠直觀的顯示砌塊的實(shí)際傳熱情況，為不規(guī)則多孔磚的熱工參數(shù)計(jì)算提供一些借鑒與參考。通過計(jì)算也表明這種新型的多孔蜂窩塊，有著良好的熱工性能且孔洞率較大故容重較輕，符合國(guó)家對(duì)于墻體材料節(jié)能降耗的要求，對(duì)比幾種常用多孔磚、空心磚單位厚度熱阻提高了2倍～3倍，是一種有良好前景的新型墻材。

［1］黃際洸.混凝土砌塊性能構(gòu)造與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］馮金秋.建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與混凝土空心砌塊墻體熱工性能測(cè)試［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2004（1）：23-28.

［3］張朝暉.ANSYS10.0熱分析教程與實(shí)例解析［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［4］GB 50176-93，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］遲政權(quán)，佟萬泉.混凝土砌塊的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)［J］.遼寧建材，2005（1）：25-26.

Com parative research on new calculation for porous brick thermal conductivity coefficient

WANG Jing

（Monitoring Office，Huanghua Residing and Construction Bureau，Huanghua 061100，China）

The study undertakes the brief analysis of the parameter and performance of new coarse aggregate porous bricks，explores the two calculationmethods for the average thermal conductivity coefficientof porous bricks and has the comparison，and proves by the result that the calculation results of the twomethodsare close，and reflects the reasonability of ANSYSsimulation calculation value，so it provides the direction for the thermal conductivity performance calculation of the porous brick.

porousmasonry，cellular block，average thermal conductivity coefficient，thermal resistance，thermal insulation performance

TU522

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.22.095

1009-6825（2012）22-0223-02

2012-04-25

王靜（1970-），女，助理工程師